Aggression
1 7 2 THE BODY LANGUAGE OF AGGRESSION
Se va a probar la detección de plasmones superficiales en el sistema desarrollado con cuatro tipos de recubrimientos indicados a continuación:
1. Prisma Thorlabs PS908 (20mm) con recubrimiento de película delgada de oro de 50 nm 2. Prisma Thorlabs PS911 (25mm) con recubrimiento de película delgada de oro de 40 nm 3. Prisma local (30 mm) con recubrimiento de película delgada de plata de 50 nm
4. Prisma local (30 mm) con recubrimiento de película delgada de plata de 40 nm y oro de 10 nm
Dado que para estos materiales la longitud de onda de resonancia está por debajo de 740nm, se va a utilizar el espectrómetro Qstick para la detección. Para la medición o detección de los plasmones superficiales se tiene que medir primero el espectro de referencia que es el spectro de la fuente de luz blanca antes de interactuar con el prisma. Luego se mide el espectro de la luz reflejada en el prisma para poder detectar la presencia de plasmones superficiales. A partir de estas dos mediciones se obtiene el parámetro correspondiente al S11 de las simulaciones
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 Wavelength [nm]
realizadas en el capítulo 2. Se debe tener en cuenta que la diferencia entre la luz reflejada en el prisma y el espectro de referencia es lo que correspondería a lo que se absorbe en el material como plasmón superficial y que justamente se mide en el parámetro S11. En la figura 3.8 se muestra los resultados para el primer caso de recubrimiento con película de 50 nm, gráfica obtenida a partir del programa Waves del fabricante del mini espectrómetro Qstick.
Espectro de luz de referencia
Espectro de luz reflejado
Espectro diferencia
587.54
171.58
Fig. 3. 19 Detección de plasmones superficiales con recubrimiento de oro de 50 nm
Como se observa se produce un máximo en la diferencia de espectros cuando la longitud de onda es de 587.54 nm que correspondería a la pérdida de energía debido a las oscilaciones de los plasmones superficiales. No se puede utilizar directamente el parámetro de reflectancia convencional por cuanto este no se correspondería con el parámetro S11 utilizando para la detección de los plasmones superficiales en el capítulo 2.
En la figura 3.9 se muestra los resultados de la medición para el segundo caso de un prisma recubierto con una película delgada de oro de 40 nm, en este caso el máximo de la curva correspondiente a la diferencia se da para una longitud de onda 580.27 nm
N o rma liz e d A DC v a lue
39
Fig. 3. 20 Detección de plasmones superficiales con recubrimiento de oro de 40 nm
Finalmente en la figura 3.10 se presenta los resultados para la medición del prisma recubierto con una película delgada de plata de 50nm, en este caso el máximo se observó para una longitud de onda de 612.73 nm. También se realizó las mediciones para el cuarto prisma recubierto con plata (40 nm) y oro (10 nm), si embargo las mediciones no indicaron presencia alguna de resonancia de plasmón superficial. Después de una revisión de este prisma se observó que la adherencia del metal en este prisma no era firme, pues tocando la superficie del recubrimiento este se comenzaba a despegar. Lo mismo se observó para el prisma con recubrimiento de plata de 50 nm, sin embargo en este caso se pudo realizar las mediciones y detectar la resonancia. Esta falta de adherencia podría deberse al tipo de material de prisma, que como se indicó se adquirieron en el mercado local sin mayor información técnica del material. Este problema no se produjo en los prismas de Thorlabs con recubrimiento de oro. Por otro lado, revisando las figuras 3.8, 3.9 y 3.10 se puede observar que el recubrimiento de plata presenta una curva más angosta que las curvas correspondiente a los recubrimientos de oro, lo cual se correlaciona con lo indicado en el capítulo con respecto a las curvas de resonancia de estos materiales.
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 Wavelength [nm] No rma liz e d A DC v a lu e
Espectro de luz de referencia Espectro de luz reflejado
Espectro diferencia
580.27
191.12
Fig. 3. 21 Detección de plasmones superficiales con recubrimiento de plata de 50 nm
En la Tabla 3.1 se resume las características de los plasmones superficiales analizados, modelados y medidos en el presente trabajo de tesis. Como se puede observar en los valores obtenidos la mayor diferencia se presenta entre los valores medidos y el método analítico, para el caso del oro esta diferencia es como máximo del 5.8%, mientras que en el caso de la plata esta diferencia es del 27% . Esta mayor diferencia proviene de la no uniformidad y falta de adhencia del recubrimiento de la película de plata sobre el vidrio del prisma, introduciendo una variable más de incertidumbre en la medición por cuanto no hay seguridad del espesor que finalmente se está iluminando corresponde a los 50 nm que debería tener la película delgada de plata
Tabla 3.1 Resumen de valores de longitud de onda de resonancia de plasmones superficiales analizados, modelados y medidos.
Tipo
de
recubrimiento
de
película
delgada
metálica
Longitud de onda de resonancia del plasmón superficial (nm)
Método analítico
Modelo
Electromagnético
Medición
Oro 50 nm
555.60
555.23
587.54
Oro 40 nm
555.60
555.463
580.27
Plata 50 nm
481.00
508.06
612.73
Espectro de luz de referencia
Espectro de luz reflejado
612.73 158.94 140 130 120 110 100 90 80 Espectro diferencia 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 Wavelength [nm] N o rma lize d A DC va lu e
41 Alternativamente, los plasmones superficiales se pueden caracterizar utilizando la medida de reflectividad que se define de acuerdo a la siguiente ecuación [41, 42]:
!" !"#$
� = ! ! !! (!)
!!" ! !!!"#$(!)
(3.1)
donde rTM( ) es el espectro de la intensidad de luz reflejada con una luz incidente polarizada en TM, rTE( ) es el espectro de la intensidad de luz reflejada con una luz incidente polarizada en TE, y rdark( ) es el espectro de la intensidad de luz de fondo cuando no hay luz incidente. Las componentes rTM( ) y rTE( ) son generalmente medidas simultáneamente utilizando dos sensores y un divisor de haz que separa las componentes TE y TM, o en distintos tiempos utilizando un sensor y mediendo en forma secuenciada las componentes TE y TM. Para el presente trabajo, se aplicó el segundo método debido a la no disponibilidad del divisor de haz y dos sensores. Los resultados se muestran en la Fig. 3.11
1 0.9 0.8 0.7 Plata 40nm* oro 10 nm 0.6 0.5 0.4 Oro 40 nm 0.3 0.2 Oro 50 nm 0.1 0 400 500 600 700 Wavelength [nm]
Fig. 3. 22 Reflectividad de los recubrimientos de oro (40 y 50 nm), plata (50 nm) y bicapa (plata 40 nm y oro 10 nm)
Como se puede observar en la Fig. 3.11, para el caso del oro de 50 nm de espesor de recubrimiento, se observa un primer mínimo a la longitud de onda de 433 nm, y un segundo mínimo a la longitud de onda de 561.51 nm. En este caso la lectura de la longitud de onda de resonancia sería la del primer mínimo, sin embargo el segundo mínimo se correlaciona más con las simulaciones y el primer análisis. En el caso del recubrimiento de oro de 40 nm de espesor presenta sólo un mínimo a la longitud de onda de 436 nm, la cual sería su longitud de
Plata 50nm
Rat
onda de resonancia y estaría muy cercana a la longitud de onda de resonancia del recubrimiento de 50 nm. En el caso de los recubrimientos de plata, se observa un mínimo a la longitud de onda de 426 nm para el recubrimiento bicapa, mientras que para el recubrimiento de plata de 50 nm no se observa un mínimo marcado que evidencia la presencia de una resonancia plasmónica. Este resultado opuesto al análisis anterior, exige una reevaluación de los parámetros para caracterizar la resonancia del plasmon superficial, y definir cual es la medida correcta que se debería utilizar para caracterizarlos. Lo que si se correlaciona en todos los casos descritos es que la precisión en la detección es mayor en los recubrimientos de plata que en los de oro, pues su curva de respuesta es más angosta.
Para tener más recursos de análisis de los plasmones superficiales, se realizaron dos ensayos adicionales con dos prismas, disponibles localmente, de 30 mm. Al primero se le realizó un recubrimiento de oro de 50 nm en los laboratorios de pelicula delgada de la Universidad Nacional de Ingeniería, y al segundo prisma un recubrimiento de plata de 50 nm en el laboratorio de películas delgadas de la universidad de Chile. Sólo que en este caso se realizó la verificación de la medición de los espesores de los recubrimientos. En el primer caso se verificó el espesor en el laboratorio de Física de la PUCP, usando la técnica de interferometría de pasos de fase (phase shifting inteferometry). Los resultados se muestran en la Fig. 3.12, la medida de la misma indica un espesor de 60 nm, con una tolerancia de 10 nm, esto es entre 50nm y 70 nm.
Fig. 3. 23 Medición del espesor del recubrimiento de oro utilizando la técnia phase shifting
i terfero etr
En el caso del recubrimiento de plata esto fue verificado en las instalaciones del departamento de Fisica de la universidad de Chile. Los resultados de las mediciones de estos dos prismas con los recubrimientos se muestran en la Fig. 3.13. Como se observa en dicha figura, se verifica que la precisión en la detección del recubrimiento de plata es mayor que en el caso del oro. Los valores mínimos se obtienen para la longitud de onda de 433 nm y 435 nm para el recubrimiento de plata y oro respectivamente. A diferencia del recubrimiento de plata, en el
43 caso del oro, se observa un segundo mínimo a la longitud de onda de 549 nm, esta valor se correlaciona mejor con los valores obtenidos en forma analitica, por simulación y medición de S11. En el caso de la plata el mínimo que se observa se diferencia menos con el del método analítico y simulación, si se compara con el valor obtenido por medición de S11. Se podría concluir que la medida de reflectividad daría una mejor caracterización de la resonancia del plasmón superficial. La desventaja de este factor es que no se puede incorporar como un parámetro de medición dentro del simulador y el modelo descrito en este trabajo de tesis.
1 0.9 Plata 50nm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Oro 50 nm 0.1 0 400 500 600 700 Wavelength [nm]
Fig. 3. 24 Reflectividad de recubrimientos de oro y plata, con espesores de 50 nm medidos
Intensi ty [mi xed uni ts]
45
CONCLUSIONES
-‐‐ Las técnicas de detección de plasmones superficiales pueden implementarse convencionalmente utilizando prismas en configuración de Otto o Krestchmann, sin embargo hay una aproximación más compacta y menos compleja utilizando fibra óptica. El comportamiento de los plasmones superficiales sobre fibra óptica es similar a su contraparte implementada con prismas. Es decir óptimamente se requiere 50 nm de espesor de recubrimiento metálico de oro o plata, e igualmente el plasmon superficial con oro tiene mayor sensitividad que la plata, y ésta última mayor SNR.
-‐‐ Se puede tener una buena estimación de la resonancia de un plasmón superficial en una estructura de varios materiales, utilizando técnicas computacionales de resolución de Ecuaciones de Maxwell. Sin embargo esto pasa por configurar correctamente en el programa, las condiciones de frontera, el tipo de puerto de entrada/salida, el número de modos y el tipo de algoritmo de resolución. En particular, la condición de frontera en celdas unitarias y los puertos de Floquet son conveniente para la resolución de estructuras plasmónicas.
-‐‐ Las ecuaciones básicas para el cálculo de la frecuencia de resonancia de un plasmón superficial se correlacionan muy bien con los valores obtenidos por simulación, con una diferencia máxima del 1%. Sin embargo estas ecuaciones no se aplican a estructuras más complejas donde se tiene más de una superficie metálica. En ese sentido los modelos en los simuladores proveen una buena herramienta para el estudio del comportamiento de los materiales y su comportamiento plasmónico.
-‐‐ Una vez medido los prismas con recubrimientos de oro y plata, se pudo determinar una desviación máxima del valor de longitud de onda de resonancia en 5.8% para el oro, y 27% para el caso de la plata, teniendo en cuenta el parámetro S11 medido.
-‐‐ Se puede caracterizar la resonancia del plasmon superficial utilizando el parámetro de reflectividad, lo cual lleva a una medición más apropiada de la resonancia del plasmón. Sin embargo este parámetro definido como tal no puede incorporarse directamente en el simulador y modelo desarrollado.
47
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